CN111864992B - 冷却装置、电机及风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却装置、电机及风力发电机组。冷却装置集成于电机内部，其包括：箱体；沿电机的轴向延伸，箱体具有容纳腔及与容纳腔连通的进风口和出风口，箱体通过进风口与电机内部连通；换热器，位于容纳腔内且靠近出风口设置；循环风扇，沿电机的轴向设置于容纳腔内，其中，冷却空气在循环风扇的作用下，通过出风口进入电机轴向两端的通风腔室，冷却电机内部的发热部件后，经由进风口进入箱体内与换热器进行热交换换热器。该冷却装置通过在沿电机的轴向延伸的箱体内设置换热器和循环风扇，可以实现冷却装置的模块化设计，结构简单紧凑，占用空间小。电机沿定子支架的周向设置汇流腔室和与汇流腔室连通的至少一个该冷却装置，散热均匀。

Description

冷却装置、电机及风力发电机组
技术领域
本发明涉及冷却技术领域，特别是涉及一种冷却装置、电机及风力发电机组。
背景技术
风力发电是最接近商业化的可再生能源技术之一，是可再生能源发展的重点。风力发电机组中的电机在运行过程中存在热损耗，其主要包括：电磁损耗，即绕组中由于欧姆阻抗产生的焦耳热，即铜损；铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗等，即铁耗；以及不可避免的杂散损耗；若为永磁电机，则还包括磁钢损耗。这些损耗使电机运行时释放出大量的热量，而这些热量不仅会对电机本身及其绝缘结构造成一定的冲击，导致缩短绝缘寿命甚至绝缘失效，还会导致电机的输出功率不断下降。
随着海上风力发电机组的快速发展，机组的单机容量不断增加，进而直接带来风力发电机机组损耗的不断提高，电机的冷却系统将占据更大的机舱空间。对于风沙较大或工作环境恶劣的工况，尤其对于海上盐雾环境，空-空冷却系统易造成发电机积尘及系统冷却风量降低，造成散热量不足，同时更易造成零部件的损坏及故障，降低整机寿命；采用水冷系统，为保证绕组温度限制、温升要求以及温度的均匀性，势必在电机内产生过多的回路及接头，同时紧凑的流道造成系统阻力增加，自耗电升高，考虑绕组端部及转子的冷却，还需独立配置风冷系统，造成冷却系统结构复杂，可靠性下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却装置、电机及风力发电机组，该冷却装置整体结构简单、紧凑、占用空间小。
一方面，本发明实施例提出了一种冷却装置，集成于电机内部，该冷却装置包括：箱体；沿电机的轴向延伸，箱体具有容纳腔及与容纳腔连通的进风口和出风口，箱体通过进风口与电机内部连通；换热器，位于容纳腔内且靠近出风口设置；循环风扇，沿电机的轴向设置于容纳腔内，其中，冷却空气在循环风扇的作用下，通过出风口进入电机轴向两端的通风腔室，冷却电机内部的发热部件后，经由进风口进入箱体内与换热器进行热交换换热器。
根据本发明实施例的一个方面，箱体包括沿电机的轴向相对设置的第一板和第二板，进风口设置于第二板上，循环风扇沿自身轴向的一端从第一板伸出。
根据本发明实施例的一个方面，箱体还包括连接第一板和第二板且相对设置的第三板和第四板，第一板、第二板、第三板和第四板沿电机的周向至少一端形成出风口。
根据本发明实施例的一个方面，第三板和第四板沿电机的周向两端设置有安装槽，两个换热器可拆卸地安装于第三板和第四板的安装槽内，且循环风扇设置于两个换热器之间。
根据本发明实施例的一个方面，第一板上开设有允许换热器穿过的检修口，第一板通过盖板盖合于检修口。
另一方面，本发明实施例还提出了一种电机，其包括定子支架和转子支架，定子支架与转子支架动密封连接，以形成沿电机轴向两端的通风腔室，电机还包括：汇流腔室，沿定子支架的周向设置；至少一个如前所述的任一种冷却装置，沿定子支架的周向间隔分布，冷却装置位于汇流腔室的径向内侧且通过进风口与汇流腔室连通。
根据本发明实施例的一个方面，定子支架包括沿径向延伸且沿轴向相对布置的第一端板、第二端板以及设置于第一端板和第二端板之间的环形板，第一端板、第二端板和环形板形成汇流腔室。
根据本发明实施例的一个方面，定子支架还包括与环形板连接且沿径向内侧延伸的隔板，环形板与隔板之间还设置有至少一个通风管，冷却装置设置于隔板上，且通过进风口与通风管连通。
根据本发明实施例的一个方面，隔板上设置有至少一个通风孔，两个以上冷却装置沿定子支架的周向间隔设置于隔板上，每相邻的两个冷却装置之间形成隔离腔室，隔离腔室与通风孔连通。
根据本发明实施例的一个方面，隔板的通风孔处设置有过滤件。
根据本发明实施例的一个方面，通风管具有隔热设置的内壁和外壁。
另一方面，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括：机舱；如前所述的任一种电机，电机的冷却装置的循环风扇设置在机舱一侧。
本发明实施例提供的冷却装置，通过在沿电机的轴向延伸的箱体内设置换热器和循环风扇，可以实现冷却装置的模块化设计，结构简单紧凑，占用空间小。本发明实施例提供的电机，通过沿定子支架的周向设置汇流腔室和与汇流腔室连通的至少一个该冷却装置，可以对电机内部的发热部件进行循环冷却，整体结构简单紧凑、散热均匀。另外，本发明实施例提供的风力发电机组，采用该电机，可以有效减小机舱的尺寸，进而减少整机成本及整机载荷，提高了风力发电机组的可靠性和可维护性。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例提供的一种冷却装置的分解结构示意图；
图2是图1所示的冷却装置中的箱体的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种电机的整体布局结构示意图；
图4是图1所示的电机的局部结构的立体图；
图5是图4中的电机沿轴向所示的局部结构示意图；
图6是沿图5中A-A方向所示的剖视图。
其中：
10-冷却装置；11-换热器；111-第一接头；112-第二接头；12-循环风扇；13-箱体；130-容纳腔；1301-进风孔；1302-出风孔；131-第一板；132-第二板；133-第三板；134-第四板；135-安装槽；136-检修口；14-供液管；15-回液管/回气管；16-盖板；161-第一开口；162-第二开口；
1-主轴；1a-定子绕组；1b-定子铁芯；1c-气隙；1d-径向通道；
20-定子支架；a-通风孔；21-环形板；22-隔板；23-通风管；24-过滤件；25-汇流腔室；26-第一端板；27-第二端板；
30-转子支架；3a-磁钢；31-通风腔室；
100-电机；200-轮毂；210-叶轮；300-机舱。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少区域的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了区域结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的电机及风力发电机组的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更好地理解本发明，下面结合图1至图6对本发明实施例提供的冷却装置、电机及风力发电机组进行详细描述。
参阅图1，本发明实施例提供了一种冷却装置10，集成于电机内部，该冷却装置10包括：换热器11、循环风扇12和箱体13。
箱体13沿电机的轴向延伸，箱体13具有容纳腔130及与容纳腔130连通的进风口1301和出风口1302，箱体13通过进风口1301与电机内部连通。
换热器11位于容纳腔130内且靠近出风口1302设置，循环风扇12沿电机的轴向设置于容纳腔130内。
换热器30可以为空-空换热器，也可以为空-液换热器。可选地，换热器30为例如但不限于板翅式、管翅式、列管式的空-液换热器，换热器30内的冷却介质可以为液态介质或者相变介质，换热器30内的冷却介质通过位于箱体13外侧的供液管14和回液/回气管15与外界冷却系统热交换，进而对电机进行循环冷却。
其中，冷却空气在循环风扇12的作用下，通过出风口1302进入电机轴向两端的通风腔室，冷却电机内部的发热部件后，经由进风口1301进入箱体13内与换热器11进行热交换。
本发明实施例提供的冷却装置10，通过在沿电机的轴向延伸的箱体13内设置换热器11和循环风扇12，可以实现冷却装置10的模块化设计，结构简单紧凑，占用空间小，可以应用于电机等需要散热的各个装置及设备中。
参阅图2，箱体13包括沿电机的轴向相对设置的第一板131和第二板132，进风口1301设置于第二板132上，循环风扇12沿自身轴向的一端从第一板131伸出。
箱体13还包括连接第一板131和第二板132且相对设置的第三板133和第四板134，第一板131、第二板132、第三板133和第四板134沿电机的周向至少一端形成出风口1302。例如，电机的周向两端可以形成出风口1302。
可选地，第三板133和第四板134沿电机的周向两端设置有安装槽135，两个换热器11可拆卸地安装于第三板133和第四板134的安装槽135内，且循环风扇12设置于两个换热器11之间，从而可以增大换热面积。
另外，第一板131上开设有允许换热器穿过的检修口136，第一板131通过盖板16盖合于检修口136。例如，盖板16与检修口136之间设置密封圈等。
换热器11上设置有第一接头111和第二接头112，盖板16上开设有第一开口161和第二开口162，第一接头111伸出第一开口161并与供液管14连接，第二接头112伸出第二开口162并与回液管/回气管15连接。
由此，当需要更换或者维修换热器11时，只需要拆卸盖板16，并沿安装槽135的延伸方向抽拉换热器11，即可从检修口136处快速完成更换工作，不需要拆卸其它部件，提高了冷却装置10的可维护性。
请一并参阅图3至图6，本发明实施例还提供了一种电机，其包括定子支架20和转子支架30，定子支架20与转子支架30动密封连接，以形成沿电机轴向两端的通风腔室31，电机还包括汇流腔室201和至少一个如前所述的任一种冷却装置10。
电机可以是外转子、内定子结构，也可以是外定子、内转子结构。定子通过定子支架20固定于定轴上，转子通过转子支架30固定于动轴上，定轴和动轴之间通过轴承连接，并实现相对转动。定轴与动轴共同组成电机的主轴1。为了便于描述，本发明实施例以具有外转子、内定子结构的电机为例进行说明。
定子包括定子绕组1a和沿轴向间隔布置的多个定子铁芯1b，每相邻的两个定子铁芯1b之间形成有径向通道1d。每个定子铁芯1b包括轭部和与轭部一体成型的齿部(图中未示出)，定子绕组1a缠绕于齿部，定子通过轭部固定于定子支架20上。转子支架30上设置有磁钢3a，转子与定子之间沿径向形成有气隙1c。定子绕组1a、定子铁芯1b和磁钢3a均为发热部件。
汇流腔室201，沿定子支架20的周向设置，至少一个冷却装置10沿定子支架20的周向间隔分布，冷却装置10位于汇流腔室201的径向内侧且通过进风口1301与汇流腔室201连通。
由此，冷却装置10的冷却过程如下：在冷却装置10中的循环风扇12的作用下，冷却空气经通风管23从电机内部引出进入冷却装置10的箱体13中，使得升温后的冷却空气与换热器11进行热交换，如图2中的箭头W3所示，换热器11通过供液管14和回液管/回气管15与外界冷却系统连接，使得冷却空气温度下降，形成温度相对较低的气流，在循环风扇12的负压作用下，一部分冷却空气直接进入邻近一端的通风腔室31中，如图4中的箭头W1所示，对定子绕组1a的一个端部进行冷却，之后沿气隙1c流动，实现一部分磁钢3a、转子轭部及定子绕组1a的冷却；另一部分冷却空气经隔板22上的通风孔a进入电机另一端的通风腔室31内，如图2中的箭头W2所示，对定子绕组1a的另一个端部进行冷却，之后沿气隙1c流动，实现另一部分磁钢3a、转子轭部及定子绕组1a的冷却。
进入气隙1c的两部分冷却空气，经过沿定子的轴向间隔分布的多个径向通道1d实现对定子绕组1a及定子轭部的冷却，经过径向通风道1d的冷却空气温度升高，高温的冷却空气在循环风扇12的作用下，经由汇流腔室25、通风管23再次进入冷却装置10中，在循环风扇12的作用下进行下一次气流组织的冷却循环。
由于两个以上的冷却装置10的循环风扇12沿电机的轴向设置，将来自换热器11的气流引导至其中一个通风腔室31，并通过通风孔a将气流引导至另一个通风腔室31。通过冷却装置10与定子支架20的有机结合，可以减小循环风扇12的体积，相对于沿定子支架20的轴向设置一个整体的循环风扇而言，既可以达到同样的散热效果，同时也可以使电机的整体结构简单、紧凑、占用空间较小。
另外，换热器11的供液管14和回液管/回气管15位于冷却装置10的箱体13外部，进一步简化了电机的内部结构，使电机的整体结构更加简单、紧凑、占用空间更小。
进一步可选地，两个以上的冷却装置10沿定子支架20的周向均匀分布。由于电机轴向两端的通风腔室31具有足够大的容积，可以发挥静压腔的作用，使得定子绕组1a端部具有均匀的冷却效果，同时确保沿轴向方向进入气隙1c的气流的均匀性，进入气隙1c的冷却空气沿气隙1c流动，同时流经定子绕组1a及定子铁芯1b的径向通风道1d进入到汇流腔室25内，汇流腔室25也具有足够大的容积，可以发挥静压腔的作用，从而确保气流沿整个周向空间内的均匀性，避免气流组织不均。
本发明实施例提供的电机，通过沿定子支架20的周向设置汇流腔室25和与汇流腔室25连通的至少一个该冷却装置10，可以对电机内部的发热部件进行循环冷却，整体结构简单、紧凑，占用空间小，散热均匀。
再次参阅图6，定子支架20包括沿径向延伸且沿轴向相对布置的第一端板26、第二端板27以及设置于第一端板26和第二端板27之间的环形板21，第一端板26、第二端板27和环形板21形成汇流腔室201。
进一步地，定子支架20还包括与环形板21连接且沿径向内侧延伸的隔板22，环形板21与隔板22之间还设置有至少一个通风管23，冷却装置10设置于隔板22上，且通过进风口1301与通风管23连通。
可选地，通风管23具有隔热设置的内壁和外壁，以使通风管23内部的冷却空气在到达冷却装置10的箱体13之前不与通风管23外部的气流进行热交换，并且环形板21、定子支架20、冷却装置10和主轴1之间形成有效的气流组织密封腔，可以防止通过通风管23进入箱体13的冷却空气在与换热器11进行热交换的过程中出现气流短路现象。
进一步地，隔板22上设置有至少一个通风孔a，两个以上冷却装置10沿定子支架20的周向间隔设置于隔板22上，每相邻的两个冷却装置10之间形成隔离腔室(图中未示出)，隔离腔室与通风孔a连通。即，在环形板21的径向内侧，隔离腔室与箱体13沿定子支架20的周向交错设置。
由于汇流腔室25通过至少一个通风管23与各冷却装置10内的换热器11的气流组织连通，并且各隔离腔室通过隔板22上设置的通风孔a与电机轴向两端的通风腔室31连通，因此，在任何一个循环风扇12出现故障后，其它循环风扇12仍然可以使故障循环风扇12对应的换热器11处存在气流通过，从而能够同时兼顾到故障循环风扇12所对应的定子绕组1a、定子铁芯1b及磁钢3a的散热需求，提高了电机的可靠性和容错性。
另外，对于风沙较大或工作环境恶劣的工况，为了避免电机因积尘造成散热量不足或者零部件的损坏及故障，可选地，隔板22的通风孔a处设置有过滤件24。
由此，一方面，冷却装置10的箱体13可以作为定子支架20的加强筋，提高了定子支架20的结构强度和刚度；第二方面，冷却装置10作为模块化的结构设置于隔板22的一侧，且与外界环境连通，当需要更换或者维修冷却装置10时，可以直接将冷却装置10拆卸下来；如果仅换热器11需要更换，也可以不拆卸冷却装置10，只需要拆卸冷却装置10上的盖板16，即可从检修口136处快速更换换热器11，不需要拆卸其它部件，提高了电机的可维护性。
需要说明的是，虽然以上为了方便描述，以电机为外转子、内定子结构作为示例对冷却装置10进行了描述，但应理解的是，根据本发明的示例性实施例，上述冷却装置10的工作原理同样适用于外定子、内转子结构的电机，相应的定子支架20和转子支架30作适应性修改即可。
另外，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，其包括机舱和如前所述的电机，电机的冷却装置10的循环风扇12设置在机舱一侧，便于后期安装、维护与更换。
本发明实施例提供的风力发电机组，采用如前所述的电机，可以有效减小机舱的尺寸，进而降低整机成本及整机载荷，提高了风力发电机组的可靠性和可维护性。
此外，根据以上所述的示例性实施例的电机可被应用到各种需要设置电机的设备中，例如但不限于风力发电机组。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种冷却装置(10)，集成于电机内部，所述电机包括定子支架(20)和转子支架(30)，所述定子支架(20)包括隔板(22)，其特征在于，所述冷却装置(10)包括：
箱体(13)，沿所述电机的轴向延伸，所述箱体(13)包括沿所述电机的轴向相对设置的第一板(131)和第二板(132)，所述箱体(13)具有容纳腔(130)及与所述容纳腔(130)连通的进风口(1301)和出风口(1302)，所述进风口(1301)设置于所述第二板(132)上，所述第二板(132)用于设置在所述隔板(22)上，所述箱体(13)的所述进风口(1301)通过所述隔板(22)与所述电机内部连通；
换热器(11)，位于所述容纳腔(130)内且靠近所述出风口(1302)设置；
循环风扇(12)，沿所述电机的轴向设置于所述容纳腔(130)内，所述循环风扇(12)沿自身轴向的一端从所述第一板(131)伸出，
其中，冷却空气在所述循环风扇(12)的作用下，通过所述出风口(1302)进入所述电机轴向两端的通风腔室，冷却所述电机内部的发热部件后，经由所述进风口(1301)进入所述箱体(13)内与所述换热器(11)进行热交换。
2.根据权利要求1所述的冷却装置(10)，其特征在于，所述箱体(13)还包括连接所述第一板(131)和所述第二板(132)且相对设置的第三板(133)和第四板(134)，所述第一板(131)、所述第二板(132)、所述第三板(133)和所述第四板(134)沿所述电机的周向至少一端形成所述出风口(1302)。
3.根据权利要求2所述的冷却装置(10)，其特征在于，所述第三板(133)和所述第四板(134)沿所述电机的周向两端设置有安装槽(135)，两个所述换热器(11)可拆卸地安装于第三板(133)和所述第四板(134)的所述安装槽(135)内，且所述循环风扇(12)设置于两个所述换热器(11)之间。
4.根据权利要求2或3所述的冷却装置(10)，其特征在于，所述第一板(131)上开设有允许所述换热器穿过的检修口(136)，所述第一板(131)通过盖板(16)盖合于所述检修口(136)。
5.一种电机，包括定子支架(20)和转子支架(30)，所述定子支架(20)包括隔板(22)，所述定子支架(20)与所述转子支架(30)动密封连接，以形成沿所述电机轴向两端的通风腔室(31)，其特征在于，所述电机还包括：
汇流腔室(201)，沿所述定子支架(20)的周向设置；
至少一个如权利要求1至4任一项所述的冷却装置(10)，沿所述定子支架(20)的周向间隔分布，所述冷却装置(10)位于所述汇流腔室(201)的径向内侧，所述冷却装置(10)设置于所述隔板(22)上且所述进风口(1301)通过所述隔板(22)与所述汇流腔室(201)连通。
6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述定子支架(20)包括沿径向延伸且沿轴向相对布置的第一端板(26)、第二端板(27)以及设置于所述第一端板(26)和所述第二端板(27)之间的环形板(21)，所述第一端板(26)、所述第二端板(27)和所述环形板(21)形成所述汇流腔室(201)。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述隔板(22)与所述环形板(21)连接且沿径向内侧延伸，所述环形板(21)与所述隔板(22)之间还设置有至少一个通风管(23)，所述冷却装置(10)通过所述进风口(1301)与所述通风管(23)连通。
8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述隔板(22)上设置有至少一个通风孔(a)，两个以上所述冷却装置(10)沿所述定子支架(20)的周向间隔设置于所述隔板(22)上，每相邻的两个所述冷却装置(10)之间形成隔离腔室，所述隔离腔室与所述通风孔(a)连通。
9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述隔板(22)的所述通风孔(a)处设置有过滤件(24)。
10.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述通风管(23)具有隔热设置的内壁和外壁。
11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括：
机舱；
如权利要求5-10任一项所述的电机，所述电机的冷却装置(10)的循环风扇(12)设置在所述机舱一侧。
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